Piezoresistance Effects of p-type Ge

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K04478
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: Osaka University (2022); Tokushima Bunri University (2019-2021)
• Principal Investigator: MATSUDA Kazunori 大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい教授 (10192337)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長岡 史郎 香川高等専門学校, 電子システム工学科, 教授 (30300635) ; 筒井 一生 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60188589)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ゲルマニウム / ピエゾ抵抗効果 / 結晶歪 / 温度依存性 / 結晶欠陥 / 欠陥準位 / 荷電状態 / 水素アニール

Outline of Final Research Achievements

Based on the state-of-art-model for piezoresistance (PR) coefficients of Si, we have found that the published PR coefficients of Ge are quite different. The deformation potential theory predicts that sign of the PR coefficients for p-type semiconductors are positive in any crystallographic directions. However, negative sign of the published PR coefficients for p-Ge in [100] direction is a long-standing puzzle.
We have investigated the relevant PR coefficient of p-Ge. By considering this results quantitatively, we make a hypothesis that another factor hitherto unknown plays role in the abnormal PR effect of Ge. To make the factor more clear, we investigate the effects of hydrogen radicals treatment on PR coefficient of Ge. The results suggest that the PR coefficients of Ge are seriously affected by vacancy related levels around midgap, which behave as donors or acceptors and are passivated by the hydrogen radicals. We discuss our current status of the abnormal PR coefficients of Ge.

Free Research Field

半導体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

最近，Geが次世代のトランジスタ材料として注目され始めてきている．GeはSiに比べてキャリアの移動度が３～４倍も大きく，このGeの特性を利用した次世代のトランジスタの研究がすすんでいる．
このような研究背景のなか，本研究は今までに正確に知られていなかったｐ型Geのピエゾ抵抗効果を実験的に調べ，特定の結晶方向において異常な値を示すピエゾ抵抗係数を明らかにし，欠陥準位が影響していることを示唆したオリジナル研究である．本研究によって，次世代のトランジスタ材料として研究されているGeの歪効果が明確になり，高性能トランジスタやセンサーなどへの応用範囲も広がるため，社会に与えるインパクトは大きい．